番茄红素生产工艺的研究系 部： 食品工程系 专业班级：普高 07 食检 （5）班姓 名： 指导教师： 时 间： 2010 年 01 月 10 号 新 疆 轻 工 职 业 技 术 学 院1摘要：基于番茄红素独特的生物学特性，使之成为具有广阔的应用前景的天然色素。该文对番茄红素的生产工艺进行了初步研究，通过系统分析和比较，为番茄红素的商业化生产提供了理论依据，探索了新的途径。关键词：番茄红素 特性 萃取 分离 纯化 工艺 研究前言近些年来，健康食品越来越受到人们的重视，健康食品市场的崛起使得传统的医药行业面临新的挑战，生病服药的概念正遭到预防为主概念强有力的冲击。特别是当今人们更加注重天然植物的活性成分对疾病的预防和对身体的营养作用，更注重饮食对健康的重要性。番茄红素是一个日益受到重视的植物中间体，世界粮农组织（FAO）和世界卫生组织（ WHO）已正式将番茄红素列入食品添加剂名录，有“植物的黄金”美誉，作为非常有前途的天然抗氧化剂正受到普遍关注，处于新兴地位。由于番茄红素在抗癌方面，特别是在抗前列腺癌方面的研究成果，使得番茄红素正在成为 21 世纪营养保健品市场中令人瞩目的新星。番茄红素作为天然色素已在全世界范围内被广泛接受，主要是用于防止紫外线灼伤，保护皮肤的产品；用于延缓衰老的产品；用于类胡萝卜素复合产品；用于预防前列腺癌等防治癌症的产品。欧盟很早就允许使用番茄红素，但由于其在各植物体内含量均较低，一直未能商业化生产。在发现番茄红素的特殊生理功能后，以色列率先开发番茄红素产品，日本、美国也相继有产品问世。我国的番茄红素研究与生产尚处于起步阶段，但至今还没有真正意义上的番茄红素产品。我国是仅次于美国和意大利的第三大番茄生产国，年产量达 1000 多万吨，占全球的 20%以上，主厂区多用于生产番茄酱等产品，非主厂区基本上都是鲜食。如果进行深加工，既能壮大产业，解决农民种植番茄的后顾之忧，又能提高农产品附加值，增加农民收入。从番茄中提取高附加值的番茄红素是实现番茄产业化、标准化生产的最佳选择。近年已有几家企业刚开始生产“食字号”番茄红素产品，但由于技术、环保、市场及生产成本等方面的原因，产量很有限。国内市场的番茄红素产品多是从美国、英国和瑞士等国进口，市场需求正在不断增加。我国批准的含番茄红素的保健食品超过几十个品种，包括油、胶囊、片剂等多种形态，主要用于抗氧化、抗癌、增强免疫力、清除香烟和汽车废气中的有毒物质等功能。随着人们对番茄红素保健功能的逐步认可，番茄红素在新型保健食品、食品添加剂、化妆品、药品等领域具有广阔的市场前景。番茄红素的研究也存在一些问题，如作用机理还需进一步研究，番茄红素2纯品价格昂贵、稳定性差、成本较高等，对其推广使用带来了困难。为此，进一步优化番茄红素的生产制备工艺，尽可能的降低成本，拓宽产品的应用领域等显得日益重要。1 番茄红素在自然界的分布1.1 在植物中的分布番茄红素广泛分布于植物细胞的有色体中，成熟的红色植物果实中含量较高。例如，番茄、胡萝卜、西瓜、葡萄柚和红色棕榈油中就存在较多的番茄红素。其中，含量最高的是番茄果皮的外表层，且成熟度愈高，番茄红素的含量愈多，鲜番茄中的含量可达 42mg/kg。我国的番茄制品主要产自新疆，那里的番茄具有“三高二少”的优点，即番茄红素含量高、固形物含量高、单产高，霉菌少、病虫害少，非常适用于加工成优质的番茄制品和作为提取番茄红素的原料。1.2 在人体中的分布尽管番茄红素广泛分布于人体的各种器官和组织中，但人体自身无法合成番茄红素，只能从食物中摄取。被机体吸收的番茄红素主要分布在人的血液、肾上腺、肝脏、睾丸、前列腺、乳腺、卵巢、子宫、消化道等器官中，其中，血液、肾上腺、肝脏、睾丸中的含量较高。2 番茄红素的结构与性质2.1番茄红素的结构 番茄红素最早由 Hartsen 在1873年从 Tamus communis L.berries 中分离出来，为深红色的晶状色素。1875 年，Millardet 从番茄中获得含有番茄红素的粗提物，称之为 Solanorubin。1903年，Duggar 在研究生长条件对番茄红素含量的影响时，将其称为 Lycopersicon。1913年，Schunck 发现番茄中提取出的色素具有与胡萝卜素不同的吸收光谱，将其命名为 Lycopene。20世纪初，人们开始研究番茄红素的基本化学结构。1910年，Willstatter和 Escher 首先提出番茄红素是胡萝卜素的异构体，其分子式为 C40H56;1930年,Karrer 等人提出番茄红素的化学结构式是由11个共轭及2个非共轭的碳-碳双键组成的非环状平面多共轭双键的结构，结晶呈暗紫色，具有多种顺反异构体，并由 Kuhn 和 Grundmann 在1932年证实。番茄红素没有 - 芷香环状结构，不具有维生素 A 原的活性。番茄红素与其它类胡萝卜素的结构如图。2.2 番茄红素的理化性质 番茄红素不溶于水，难溶于甲醇、乙醇，可溶于乙醚、己烷、丙酮，易溶于氯仿、二硫化碳、苯等有机溶剂。番茄红素为红色长针状晶体，性质十分活泼，对、光、热、氧、金属离子、氧化剂、抗氧化剂等敏感。番茄红素对光十分敏感，尤其是日光和紫外光，所以提取番茄红素时应尽量避免暴露在光下，只能3使用黄、红光。在研究食用调和油时发现：番茄红素保存率随时间的延长、温度升高而下降；在相同条件下，光照强度对番茄红素的影响比贮存温度更为显著。番茄红素对酸不稳定，对碱稳定。在酸性环境和有 CO2 存在的条件下以及温度低于 50的酸性条件下，色素性能稳定。钾、镁、钙、锌离子对番茄红素的影响不大，铁、铜离子的破坏较大。因此，贮存或加工时，应尽量避免与铁、铜离子接触。食品中常用的几种食品添加剂对番茄红素稳定性有影响：酸性添加剂会降低番茄红素的稳定性，尤其是当添加剂酸性较强或浓度较大时，番茄红素的稳定性明显下降；防腐剂引起结构和性质的不同对番茄红素的稳定些影响有较大差异，其中苯甲酸对番茄红素的影响不大，而山梨酸则能显著提高番茄红素的稳定性；酚类抗氧化剂能非常显著地提高番茄红素的稳定性，表现出较强的抗氧化作用，L-抗坏血酸则正好相反，它会非常显著地降低番茄红素的稳定性，表现出对番茄红素的促氧化作用。3 番茄红素的生物学特性从 1990 年至 1995 年，国外有近 300 篇文章涉及番茄红素的功能研究，这些研究包括番茄红素在组织、乳汁、精液中的分布；番茄红素猝灭活性氧；番茄红素与消化道癌、宫颈癌、皮肤癌、前列腺癌、心脏病等的关系。最新研究表明，番茄红素具有猝灭单线态氧、清除自由基、诱导细胞间的连接通讯、调控肿瘤增殖等多种生物学功能。由番茄红素的化学结构及实验结果可知，番茄红素具有比其它类胡萝卜素更强的清除单线态氧的能力。3.1 番茄红素与癌症20 世纪中期，美国医学家首次报到了番茄红素的抗癌效应。后经流行病学调查和多次动物实验，证明番茄红素具有预防癌症的作用。血液中番茄红素的浓度与前列腺癌、食道癌、胰腺癌、肠胃癌、乳腺癌、皮肤癌、膀胱癌等的发生率呈负相关，尤其是在预防前列腺癌方面有明显的作用。19871992 年，美国对 47894 名健康的职业卫生人员进行了具有前瞻性的流行病学调查，分析了773 例前列腺癌患者与类胡萝卜素及其其它因素的关系。结果显示：随着番茄红素摄入量的增加，前列腺癌的危险度下降，而其它类胡萝卜素（-胡萝卜素、-胡萝卜素、叶黄素和玉米黄素）及能量的摄入和年龄等因素与前列腺癌的危险度无关。在前列腺癌患者的血浆中也发现了低浓度番茄红素和高浓度的活性氧类物质。Clinton 等经过 6 年的研究发现，每周食用番茄或番茄制品 2 次以上，患前列腺癌的风险下降 21%30% 。番茄红素不仅可预防前列腺癌，还可治疗前列腺癌。研究表明，前列腺癌患者每天服用 30mg 天然番茄红素制品(Lyc-O-mato),连续服用 3 周后，肿瘤变小，病情减轻。最新的流行病学调查表明，番茄红素对其它类型的癌症也有很好的预防作用。43.2 番茄红素与心血管疾病研究证明，蔬菜和水果中的番茄红素通过抑制胆固醇的合成、增加巨噬细胞低密度脂蛋白（LDL）受体的方式来保护心血管。Klipstein-Grobusch 等用病例对照法分析了 108 名受试者血清中各种类胡萝卜素的浓度。结果表明，在排除了性别、年龄等混杂因素后，番茄红素的浓度与动脉粥样硬化度呈负相关。最近的研究表明，在 45 年中，每天补充 400IU 维生素 E 并没有降低患心血管病的风险，但在吃番茄或番茄制品则可降低患心血管病的风险。在研究急性心肌梗死和抗氧化剂水平时，在对心肌梗死组织切片的研究中发现，在类胡萝卜素中，只有番茄红素对心肌具有保护作用。对 10 个欧洲国家 1400 名男性的研究也发现，番茄红素在心肌中的含量和发生急性心肌梗死的风险呈负相关，高水平的番茄红素对急性心肌梗死有预防作用。3.3 保护皮肤番茄红素可有效抑制和清除自由基，防止紫外线辐射对皮肤的损害。有学者研究发现，用致死剂量的紫外线照射小鼠，口饲番茄红素的小鼠的生存率明显增加。浓缩的番茄红素对 -紫外线导致的机体损伤有保护作用，并可减少机体的炎症反应，维持正常的细胞增殖，减少 DNA 的损伤。研究表明，受阳光照射的皮肤与相邻的不受阳光照射的皮肤相比，其内部的番茄红素的含量低 31%46%，而增加皮肤内番茄红素的含量可以防止或减轻紫外线对皮肤的损伤。3.4 番茄红素与其它疾病Coodley 等的研究表明， HIV 阳性妇女血液中番茄红素、- 胡萝卜素、-胡萝卜素等的浓度均低于正常值。其它的研究发现还有：番茄红素和保护因 CCI4导致的大鼠急性肝损害；单细胞凝胶电泳研究发现，番茄红素对淋巴细胞和肝细胞的 DNA 损伤有保护作用；番茄红素对防止老年性痴呆、帕金森病等中枢神经疾病及多发性硬化症有一定的作用。3.5 作用机理经研究发现，番茄红素通过对单线态氧的淬灭和自由基的清除、阻断亚硝胺的形成、抑制细胞增殖、诱导细胞分化、增强免疫力、减少 DNA 损伤及对细胞间隙连接通讯的影响等多种作用方式，起到预防癌症和心血管疾病的作用。(1) 番茄红素对癌及癌前细胞的抗增殖作用和促使向良性方向转化作用，主要是通过增强细胞间隙通讯连接、抑制癌细胞的原癌基因依赖激酶和下调胰岛素样生长因子来实现的；（2）增强免疫功能作用是通过促进白细胞介素2 等细胞素激活淋巴细胞对癌细胞的溶解作用、促进免疫细胞增殖并增强天然杀伤细胞的吞噬能力；（3）抗氧化作用主要是通过淬灭单线态氧、清除自由基、抑制脂质、蛋白质和5DNA 的氧化损伤，特别是通过抑制 LDL 胆固醇的氧化而实现的 .4 番茄红素的主要生产方法4.1 萃取法4.1.1 固液萃取法根据番茄红素的性质，可利用亲脂性有机溶剂从番茄中提取番茄红素，即固液萃取。主要步骤包括：将新鲜番茄或番茄皮干燥、粉碎或直接将番茄打成匀浆，选用一种有机溶剂或混合溶剂作为萃取进行固液萃取，最后将萃取液真空浓缩，即可得到色素产品。常用的萃取液有氯仿、石油醚、丙酮、正己烷以及石油醚、丙酮混合液（1 ：1）等。其中，氯仿的效果较好。但由于番茄中还含有其它成分，而且有机溶剂会有痕量残留，仅采用溶剂萃取取得到的产品一般纯度不高，番茄红素含量约在 5%15%左右。为了提高番茄红素的提取率，可先采用微波处理番茄（提取功率 200W,提取时间 80s） ，然后再用溶剂萃取。采用这些方法通常不产生番茄红素晶体，而是产生一种油状的物质，即番茄红素油树脂。另外，还可采用先皂化处理番茄（皂化条件为 NaOH0.5mol/L,温度 65，皂化时间 0.5h） 、在进行溶剂萃取的方法，得到的番茄红素油树脂产品有部分晶体出现。其一般工艺流程为：新鲜番茄或番茄皮干燥粉碎固液萃取真空浓缩番茄红素粗制品特点：此方法简单易行，不需要复杂的仪器设备和工艺条件，存在有害溶剂的残留，